基于SOPC的嵌入式GPS接收機(jī)溫啟動(dòng)快捕的研究

胡 輝，沈 翔，吳 超

(華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330013)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的快速定位能力主要由首次定位時(shí)間(time to first fix，TTFF)這項(xiàng)指標(biāo)決定。提高首次定位時(shí)間這項(xiàng)性能，無(wú)論是對(duì)于車載導(dǎo)航領(lǐng)域，還是導(dǎo)彈導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域都具有很大的意義。但是，由于這項(xiàng)技術(shù)在商用以及軍事應(yīng)用的保密性和敏感性，有關(guān)此方面的技術(shù)在各種文獻(xiàn)中很少見(jiàn)到，因此，深入研究該技術(shù)就顯得非常重要。

在相同的衛(wèi)星信號(hào)條件下，信號(hào)搜索范圍的大小和首次定位所需時(shí)間的長(zhǎng)短與接收機(jī)的啟動(dòng)方式有很大的關(guān)聯(lián)。根據(jù)接收機(jī)啟動(dòng)時(shí)所掌握的各種數(shù)據(jù)信息狀況的不同，影響首次定位所需時(shí)間長(zhǎng)短的接收機(jī)啟動(dòng)方式通常可分成3種:

1)冷啟動(dòng)。在冷啟動(dòng)時(shí)，接收機(jī)不知道當(dāng)前的時(shí)間及其所處的位置，并且在存儲(chǔ)器上也沒(méi)有保存任何有效的衛(wèi)星星歷和歷書(shū)，因此，冷啟動(dòng)后的接收機(jī)只能處于盲捕狀態(tài)，它的首次定位時(shí)間最長(zhǎng)，一般在60 s左右。

2)溫啟動(dòng)。是指接收機(jī)雖然沒(méi)有有效的星歷，但卻能在掌握誤差小于5 min的當(dāng)前時(shí)間、誤差小于100 km的當(dāng)前位置，以及有效歷書(shū)情況下啟動(dòng)。根據(jù)所擁有的這些信息，接收機(jī)可以大致確定三維搜索的范圍，從而為信號(hào)的快速捕獲創(chuàng)造良好的條件。溫啟動(dòng)的首次定位時(shí)間較短，一般在45 s左右。

3)熱啟動(dòng)。如果接收機(jī)不但具備溫啟動(dòng)的條件，而且還保存著有效的星歷，那么接收機(jī)就可以進(jìn)行熱啟動(dòng)。熱啟動(dòng)的首次定位時(shí)間一般為12 s，甚至更短。

本課題組前期以EP2C50F484C6 FPGA芯片為平臺(tái)，內(nèi)嵌可配置Nios軟核cpu，成功研制了高動(dòng)態(tài)嵌入式GPS接收機(jī)。該設(shè)備在載體速度為12 km/s，加速度為10 g，加加速度為10 g/s時(shí)，由于沒(méi)有嵌入溫捕模塊，它的首次定位時(shí)間大約為65 s。然而，高動(dòng)態(tài)接收機(jī)經(jīng)常用于導(dǎo)彈導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域，較長(zhǎng)的定位時(shí)間與高動(dòng)態(tài)的性能就產(chǎn)生了沖突，所以，短的定位時(shí)間是GPS高動(dòng)態(tài)接收機(jī)必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本研究以前期工作為背景，用溫啟動(dòng)的方法將定位時(shí)間縮短到30 s之內(nèi)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

嵌入式GPS接收機(jī)系統(tǒng)由天線、射頻前端、基帶信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。本系統(tǒng)射頻前端采用ZARLINK公司生產(chǎn)的GP2015芯片;基帶信號(hào)處理芯片使用ALTERA公司的EP2C50F484C6，在此芯片中內(nèi)嵌nios II軟核，實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理和定位解算。本研究通過(guò)溫啟動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式GPS接收機(jī)的快速定位，所以在系統(tǒng)中需要添加實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)芯片和非易失存儲(chǔ)芯片(NVRAM)這2個(gè)模塊。本系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為課題組前期研制的GPS接收機(jī)實(shí)物。

Qutartus IDE中集成了SOPC Builder工具，該工具提供一個(gè)直觀的圖形用戶界面，用戶可以通過(guò)圖形界面簡(jiǎn)化系統(tǒng)的定義工作。由于SOPC Builder不需要直接編寫(xiě)HDL代碼來(lái)定義系統(tǒng)，這極大地節(jié)約了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間。SOPC Builder為每個(gè)元件提供了一個(gè)向?qū)?，利用該向?qū)芎苋菀椎囟x元件功能。本系統(tǒng)就是通過(guò)向?qū)ios II CPU、相關(guān)器、RTC時(shí)鐘控制、NVRAM控制器等模塊添加到設(shè)計(jì)中。SOPC Builder能夠自動(dòng)生成片上總線(Avalon總線)和總線仲裁器等邏輯將這些模塊連接，整合成一個(gè)片上系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 SOPC Builder配置片上系統(tǒng)

1.2 非易失性存儲(chǔ)器

NVRAM即非易失性存儲(chǔ)器，就是斷電之后，讓所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器。NVRAM用來(lái)存儲(chǔ)歷書(shū)和上次定位結(jié)果。本系統(tǒng)采用的是CY62256VLL－70SNC芯片，其與FPGA的連接見(jiàn)圖4。

要實(shí)現(xiàn)NVRAM讀寫(xiě)，首先要在硬件配置SOPC Buillder中加入IP核NVRAM和Avalon-MM Tristate Bridge(三態(tài)橋)，如圖3所示。NVRAM通過(guò)三態(tài)橋與CPU通信。Nios II開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)提供了2個(gè)接口:

data=IORD_32DIRECT(BASE，OFFSET);//讀NVRAM

IOWR_32DIRECT(BASE，OFFSET，DATA);//寫(xiě)NVRAM

直接利用以上2個(gè)nios II IDE的API函數(shù)就可以進(jìn)行NVRAM讀寫(xiě)。

圖4 NVRAM電路連接

1.3 RTC 時(shí)鐘電路

帶溫啟動(dòng)功能的GPS接收機(jī)均有一個(gè)內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，因而即便在接收機(jī)關(guān)機(jī)的情況下，它的實(shí)時(shí)時(shí)鐘依然繼續(xù)運(yùn)行，以維持對(duì)時(shí)間信息的掌握。本研究使用的是DS1338實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它有一個(gè)內(nèi)置的電源檢測(cè)電路，如果檢測(cè)到電源供電失敗，可以自動(dòng)切換到電池供電。它采用I2C接口，其硬件連接如圖5所示。

該芯片提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，只要在一開(kāi)始給年、月、日、時(shí)、分、秒寄存器設(shè)定一個(gè)初始值，時(shí)間就會(huì)自動(dòng)往前滾動(dòng)。內(nèi)部寄存器的具體操作可參見(jiàn)芯片手冊(cè)。

要在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)RTC，首先要在硬件配置SOPC Buillder中加入 IP核 I2C_mcore，如圖3所示;其次在nios II軟件工程中加入底層驅(qū)動(dòng)程序，以通過(guò)I2C總線對(duì)年、月、日等寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作;最后便是應(yīng)用程序，在I2C初始化后對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

圖5 RTC電路連接

2 算法原理

2.1 利用歷書(shū)計(jì)算衛(wèi)星的位置

歷書(shū)提供了各衛(wèi)星的基本衛(wèi)星軌道參數(shù)和2個(gè)鐘差改正數(shù)，但不包含9個(gè)攝動(dòng)改正參數(shù)。各歷書(shū)的參數(shù)如表1所示。如果用戶接收機(jī)上保存著有效的歷書(shū)，并且用戶大致知道自己當(dāng)前所處的時(shí)間和位置，那么接收機(jī)可以通過(guò)歷書(shū)計(jì)算出各衛(wèi)星在空間的大致位置，以此可以確定它們的可見(jiàn)性，這可使接收機(jī)避免去搜索、捕獲那些不可見(jiàn)的衛(wèi)星信號(hào)，從而減少接收機(jī)實(shí)現(xiàn)首次定位所需的時(shí)間。

表1 GPS衛(wèi)星歷書(shū)參數(shù)

在計(jì)算衛(wèi)星的概略位置時(shí)，利用歷書(shū)信息計(jì)算與使用廣播星歷的參數(shù)計(jì)算類似，其流程如圖6所示。

2.2 啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法與步驟

除了表1中所列的參數(shù)之外，每套歷書(shū)通常還需要附帶一個(gè)相應(yīng)的星期數(shù)，可以幫助判斷歷書(shū)的有效性。如果GPS接收機(jī)保存存儲(chǔ)的歷書(shū)，但2次開(kāi)機(jī)的時(shí)間超過(guò)1個(gè)星期，那么歷書(shū)是無(wú)效的，接收機(jī)必須實(shí)行冷啟動(dòng)，等到有定位結(jié)果十幾分鐘以后，才能進(jìn)行溫啟動(dòng)。這段時(shí)間接收機(jī)將歷書(shū)和本地位置存儲(chǔ)到NVRAM中，以便下次開(kāi)機(jī)后實(shí)行溫啟動(dòng)。接收機(jī)運(yùn)行的總流程如圖7所示，其中溫啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)的流程如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用GN8000M多星座模擬器模擬仿真2011年7月16日10點(diǎn)50分的GPS L1信號(hào)。如圖9所示，在nios IDE控制臺(tái)窗口中可以看到:定位的方式是cold start，即冷啟動(dòng);start time即定位時(shí)間為180 s。然后再用模擬器模擬仿真2011年7月17日10點(diǎn)50分的GPS L1信號(hào)。從圖10可以看到:定位的方式是warm start，即溫啟動(dòng);start time(定位時(shí)間)為31 s。從兩者的結(jié)果很明顯地看到溫啟動(dòng)的定位時(shí)間比冷啟動(dòng)大大縮短了。

4 結(jié)束語(yǔ)

SOPC是當(dāng)前IC設(shè)計(jì)的發(fā)展主流，代表了半導(dǎo)體和ASIC設(shè)計(jì)的未來(lái)。利用SOPC設(shè)計(jì)思想和SOPC Builder工具開(kāi)發(fā)GPS接收機(jī)系統(tǒng)，能極大地提高工程人員的設(shè)計(jì)效率，加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

本文對(duì)GPS接收機(jī)溫啟動(dòng)首次定位時(shí)間過(guò)程進(jìn)行了研究，試驗(yàn)得到的溫啟動(dòng)首次定位時(shí)間為31s，滿足了高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)快速定位的性能要求。隨著新一代GNSS的不斷建設(shè)和發(fā)展，融合GPS、GLONASS、GALILEO和北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的接收機(jī)將成為研究熱點(diǎn)，因此，還需要進(jìn)一步研究快速捕獲溫啟動(dòng)的算法在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合時(shí)代中的應(yīng)用。

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